耻骨联合分离为主要表现的TileB1型骨盆损伤两种内固定的力学稳定性研究

葛建华，张德绸，陈 歌，鲁晓波，项 舟

（1西南医科大学：附属医院骨与关节外科；2附属中医医院心脑内科，四川泸州 646000，3四川大学华西医院骨科）

耻骨联合分离系高能量损伤，占骨盆骨折24%。骨盆的前后挤压暴力作用于骨盆耻骨联合和骶髂关节，外旋暴力使一侧或双侧髂骨承受旋转应力，该应力超过机体组织的抗衡能力，引起相应的应力部位损伤，出现耻骨联合“开书样”分离，应力继续作用，可引起骶髂前韧带损伤断裂，甚至骶棘韧带断裂、骶髂关节脱位、骶骨外侧的纵裂骨折，即以耻骨联合分离为主要损伤表现的Tile B1骨盆型损伤机制。然而，耻骨联合分离可以吸收或缓冲前后挤压或外旋的大部分能量和作用力，从一定程度上减低骨盆前环耻骨支及坐骨支骨折几率或减轻其骨折后的移位程度，所以诸多Tile B1型骨盆损伤，骨折移位并不严重，而耻骨联合分离成主要损伤表现，导致骨盆前环在冠状面存在旋转不稳定[1]。当耻骨联合分离＞2.5 cm、耻骨联合分离＞1 cm伴骨盆环的不稳定或旋转不稳定伴下肢不等长＞1.5 cm、无法接受的骨盆旋转畸形等需要手术处理[2-4]，钢板与空心螺钉仍是该类骨盆损伤目前治疗主要方法。本实验通过骨盆标本生物力学测试，探讨耻骨联合分离两种固定方式的稳定性，希望给临床工作者提供科学数据，协助进一步认识该类骨盆损伤和优化的治疗方案，同时为制定骨盆损伤处理指南提供依据。

1 实验材料及方法

1.1 实验仪器

万能生物材料试验机（日本岛津公司AG-ISM20kN型），高清位移摄像装置（深圳京航科技有限公司JHSM1400F）及配套数据分析软件（四川大学力学测试中心），CCD三维光学平台系统（运动平台7STA02100A，平台控制器7SC304，精密手动微调平台MBZ-A），双能X射线骨密度测量仪（美国通用公司，DPX-NT，SFDA），内固定材料及实验配套器械（3.5 mm重建接骨板与配套螺钉、7.3 mm空心加压螺钉，强生上海医疗器械有限公司），C形臂X射线机（德国Ziehm solo，分辨率1 k×1 k ×12 bit），义齿基托树脂(Ⅱ型，上海新世纪齿科材料有限公司)等。

1.2 骨盆标本及制备

成人防腐尸体骨盆8具（男6具，女2具），由西南医科大学解剖教研室提供，年龄35～62岁，平均50.2岁。标本自腰4～5平面至双侧股骨近端横断，剔除与本实验无关的组织，保留双侧骶髂关节及附属结构、双侧髋关节及附属结构、耻骨联合及附属结构、双侧骶棘韧带和双侧骶结节韧带。福尔马林液浸泡，储存备用。

1.3 标本固定及夹具准备

依次编号，腰4、5椎体及双侧股骨用义齿基托树脂包埋，凝固成形；自制浇灌模具，约15°角度底座（见图1）。单足站立剪切负荷加载固定材料（模拟外展肌群抗衡骨盆倾斜）：标本髂骨缘，选5孔重建钢板预弯塑形后钻孔，数根直径1.2 mm钢丝，穿引后链接固定可调节螺栓（见图2）。

图1 制备的骨盆标本

图2 力学试验装备图解

1.4 生物力学测试

对照组：骨盆耻骨联合相对缘放置标记球，保持双侧髂前上棘与耻骨联合处于同一冠状平面，固定生物材料试验机上，安装调节测试装置（见图3），预加载消除蠕变，匀速载负荷记录双足静止站立耻骨联合相对位移图像及数据，卸载标本。骨盆标本一侧包埋的股骨放于自制15°角度底座上，钢丝螺栓链接模拟外展肌群抗衡骨盆倾斜，保持两侧髂嵴连线平行于地面，两侧髂前上棘与耻骨联合平面垂直地面，股骨冠状面相对骨盆内收15°，矢状面内旋5-10°[5]（见图4），匀速载负荷记录单足静止站立耻骨联合相对位移图像及数据后，卸载标本。

图3 对照组标本3双足站立力学测试

图4 对照组标本3单足站立力学测试

Tile B1型损伤模型建立：锯断耻骨联合4条韧带及纤维软骨环等，手术刀切断并剥开双侧骶髂关节前韧带，旋转分离外力致耻骨联合分离≥2.5 cm。

空心螺钉组：复位钳协助复位骨盆耻骨联合，标记进钉点为耻骨结节与耻骨上支移行处，出钉点为耻骨结节外缘前下方，导针自外上向内下倾斜约10°，自头侧向尾端倾斜5°[3]（见图5）。2.5 mm克氏针低速钻入，测量长度，钻孔，沿导针拧入直径7.3 mm长度55 mm空心螺钉。固定完毕，同前载负荷记录双足静止站立及单足静止站立耻骨联合相对位移图像及数据（见图6），卸载标本，取出内固定。

图5 标本1空心螺钉操作透视

图6 标本1空心螺钉固定

钢板组：复位钳协助复位骨盆耻骨联合，4孔重建钢板置耻骨联合上方，2.8 mm钻头在钢板一端外侧孔与耻骨下支方向一致钻孔、测深，拧入3.5 mm皮质骨螺钉，同法在钢板另一端拧入第二枚皮质骨螺钉，内侧两螺钉冠状面上与耻骨联合垂直线5°～10°外侧成角（见图7），螺钉长度28 mm、32 mm。固定完毕，同前载负荷记录双足静止站立及单足静止站立耻骨联合相对位移图像及数据（见图8），卸载标本，取出内固定。

依次完成其余骨盆标本生物力学测试，实验过程中保持骨盆标本湿润。骨盆标本加载完毕，检查骨盆环有无破损或骨折。

图7 标本2钢板固定操作透视

图8 标本2钢板固定

1.5 生物力学测试耻骨联合的相对位移换算

生物力学测试为一组互相垂直的摄像头分别采集位移图像，再经坐标换算得到目标的三维位移情况，通过计算机处理软件换算得出耻骨联合上下/垂直方向位移数据、左右/水平方向位移数据、前后方向位移数据（四川大学力学测试中心协助完成）。

1.6 统计学方法

采取SPSS 22.0统计软件包对数据进行分析，计量资料用x±s表示。所得数据先行正态分布和方差齐性检验，条件满足后进行重复测量的方差分析，并用Bonferroni校正检验进行两两比较，P＜0.05为有统计学意义。

2 结 果

2.1 一般情况

肉眼观察标本形态、软组织及骨性结构无异常。X射透视：无骨折，结核、肿瘤等病变。

三组生物力学依次测试完毕，骨盆标本或骨盆内固定模型未发现骨折、韧带及内固定物松动、断裂，未见明显解剖结构、形态异常等。

2.2 骨密度测定情况

双能X射线骨密度测量仪取髋部周围骨密度作为标准测量点，8具骨盆标本髋关节周围BMD为（0.4256±0.0561）g/cm，同性骨峰值/T值为-4.3±0.6761。

2.3 三组双足静止站立生物力学数据结果

2.3.1 三组双足静止站立位载负荷耻骨联合水平方向位移

重复测量方差分析结果显示：各组间水平方向位移差异具有统计学意义（F=155.574，P＜0.05），不同载负荷间水平位移差异具有统计学意义（F=82.597，P＜0.05），且载负荷与组别间存在交互效应（F=49.595，P＜0.05）。对水平方向位移结果在各载负荷不同组别之间比较，结果显示：不同载负荷下，钢板组和空心钉组水平方向位移明显高于对照组（P＜0.05），钢板组水平方向位移明显高于空心钉组（P＜0.05）。对水平方向位移结果进行各组内不同负荷点之间比较，结果显示：钢板600 N点水平位移值高于其他载负荷点（P＜0.05）（见表1）。

表1 三组双足静止站立位载负荷耻骨联合水平方向位移（n=8，单位：mm）

2.3.2 三组双足静止站立位载负荷耻骨联合前后方向位移

重复测量方差分析结果显示：各组间前后方向位移差异具有统计学意义（F=84.887，P＜0.05），不同载负荷间前后位移比较差异具有统计学意义（F=17.780，P＜0.05），且载负荷与组别间存在交互效应（F=12.151，P＜0.05）。对前后方向位移结果在各载负荷不同组别之间比较，结果显示：不同载负荷下，钢板组和空心钉组前后方向位移明显高于对照组（P＜0.05），钢板组前后方向位移明显高于空心钉组（P＜0.05）。对前后方向位移结果进行各组内不同负荷点之间比较，结果显示：钢板600 N点前后位移值高于其他载负荷点（P＜0.05）（见表2）。

表2 三组双足静止站立位载负荷耻骨联合前后方向位移（n=8，单位：mm）

2.3.3 三组双足静止站立载负荷耻骨联合上下方向的位移

重复测量方差分析结果显示：各组间上下方向位移差异具有统计学意义（F=157.187，P＜0.05），不同载负荷间上下位移比较差异具有统计学意义（F=48.819，P＜0.05），且载负荷与组别间存在交互效应（F=15.482，P＜0.05）。对上下方向位移结果在各载负荷不同组别之间比较，结果显示：不同载负荷下，钢板组和空心钉组上下方向位移明显高于对照组（P＜0.05），钢板组上下方向位移明显高于空心钉组（P＜0.05）。对上下方向位移结果进行各组内不同负荷点之间比较，结果显示：钢板400 N点上下位移值高于其他载负荷点（P＜0.05）（见表3）。

表3 三组双足静止站立载负荷耻骨联合上下方向的位移（n=8，单位：mm）

2.4 三组单足静止站立生物力学数据结果

2.4.1 三组单足静止站立载负荷耻骨联合水平方向的位移

重复测量方差分析结果显示：各组间水平方向位移差异具有统计学意义（F=301.276，P＜0.05），不同载负荷间水平位移比较差异具有统计学意义（F=38.058，P＜0.05），且载负荷与组别间存在交互效应（F=26.883，P＜0.05）。对水平方向位移结果在各载负荷不同组别之间比较，结果显示：不同载负荷下，钢板组和空心钉组水平方向位移明显高于对照组（P＜0.05），钢板组水平方向位移明显高于空心钉组（P＜0.05）。对水平方向位移结果进行各组内不同负荷点之间比较，结果显示：钢板400N点水平位移值高于其他载负荷点（P＜0.05）（见表4）。

表4 三组单足静止站立位载负荷耻骨联合水平方向位移（n=8，单位：mm）

2.4.2 三组单足静止站立载负荷耻骨联合前后方向的位移

重复测量方差分析结果显示：各组间前后方向位移差异具有统计学意义（F=169.183，P＜0.05），不同载负荷间前后位移比较差异具有统计学意义（F=61.829，P＜0.05），且载负荷与组别间存在交互效应（F=18.995，P＜0.05）。对前后方向位移结果在各载负荷不同组别之间比较，结果显示：不同载负荷下，钢板组和空心钉组前后方向位移明显高于对照组（P＜0.05），钢板组前后方向位移明显高于空心钉组（P＜0.05）。对前后方向位移结果进行各组内不同负荷点之间比较，结果显示：钢板400 N点前后位移值高于其他载负荷点（P＜0.05）（见表5）。

表5 三组单足静止站立载负荷耻骨联合前后方向的位移（n=8，单位：mm）

2.4.3 三组单足静止站立载负荷耻骨联合上下方向的位移

重复测量方差分析结果显示：各组间上下方向位移差异具有统计学意义（F=52.439，P＜0.05），不同载负荷间上下位移比较差异具有统计学意义（F=14.477，P＜0.05），且载负荷与组别间存在交互效应（F=10.536，P＜0.05）。对上下方向位移结果在各载负荷不同组别之间比较，结果显示：不同载负荷下，钢板组和空心钉组上下方向位移明显高于对照组（P＜0.05），空心钉组上下方向位移明显高于钢板组（P＜0.05）。对上下方向位移结果进行各组内不同负荷点之间比较，结果显示：空心螺钉400 N点上下位移值高于其他载负荷点（P＜0.05）（见表6）。

表6 三组单足静止站立载负荷耻骨联合前后方向的位移（n=8，单位：mm）

3 讨 论

3.1 实验设计初衷

耻骨联合分离为主要表现的Tile B1型损伤内固定以钢板系统及空心螺钉系统为主，已广为医务工作者接受[6-7]，当前针对其生物力学研究报道多选择单一方式载负荷位移测量，研究方法、研究内容及研究形式等相对单一，缺少进一步深入研究。

双足静止站立人体上半身重力通过后方骶股弓及前方副弓传导，骨盆耻骨联合受到一定的张应力，而人体在平地常速步态行走时，双足负重相仅占一个步态周期的27%，且由于动态行走，躯体摆动，该期耻骨联合承受动态的张应力及剪切应力[8]，单纯双足静止站立实验指标不足以充分证实耻骨联合分离固定物所提供的生物力学稳定性，所以需要能代表人体在平地常速步态行走时耻骨联合所承受应力的测试指标，单足静止站立位，负重侧半骨盆相对不动，对侧半骨盆因重力有向下位移趋势，耻骨联合承受较大的剪切应力和压应力，在没有更好的可行的测试指标前，联合单足静态站立位耻骨联合的应力测试不失为理想的指标。

骨盆环结构对骨盆环的稳定性影响极其复杂，双足静态站立位，后环结构对骨盆环的稳定性占60%，前环结构占40%，但动态位，前方结构对骨盆环稳定性影响更大[2]。研究发现，骨盆前环的稳定性影响并决定后环的载负荷及位移程度[9-11]。单前环分离，仅需前环固定，尤其TileB1型损伤，且内固定比外固定具有更加稳定和坚强的固定效果[12]。

针对载负荷大小，查阅相关文献及预实验：甲醛浸泡的尸体标本双足静止站立状态下，骨盆标本弹性形变上限（即屈服点）男性2 860N，女性2 473N[13]；有学者认为骨盆标本载负荷进行有价值的反复多次力学测试，建议双足站立位按人体重70 kg，上躯干占体重76.9%，即528N作为参考[14]；另Schäffler等测试单足站立载负荷选择250 N（最大332 N）[15]。参考以上文献结合本组预实验结果，选择双足静止站立和单足静止站立最大载负荷分别是600 N和400 N，模拟人体生理状态下不同内固定物等效性测定。

空心螺钉固定耻骨联合分离出入点标记，广为临床医师认可，该部位骨质较多、宽且厚，空心螺钉把持力大，手术操作安全，成人空心螺钉选择直径6.5 mm或7.3 mm[16-18]。钢板固定该类损伤，当前仍推广单块4孔至6孔普通钢板放置耻骨联合上方[12,17,19-20]，钢板螺钉应该与耻骨下支方向一致，使钢板螺钉在耻骨下支骨质中把持力最有效和最大化。

3.2 生物力学实验数据分析及指导意义

两种体位下骨盆标本随载负荷的增加，耻骨联合间隙随之增宽，即载负荷与耻骨联合的分离位移呈正相关。

两种体位，空心螺钉固定在耻骨联合水平及前后方向的稳定性明显优于钢板固定（P＜0.05），但均不能达到对照组的稳定性。耻骨联合主要由前、后、上、下韧带等结构稳定，切断这些韧带后固定的空心螺钉位于该结构中心位置，从结构力学角度来看，中心位固定既稳定防旋又最大程度减少应力遮挡，对于耻骨联合的力学平衡达到优化，另外该7.3 mm空心螺钉螺纹深度1.25 mm具有较强拉力效应，控制骨盆耻骨联合分离，对抗耻骨联合分离外旋张应力。

双足静止站立体位，耻骨联合主要承受张应力，而在单足静止站立体位，耻骨联合则承受较大的剪切应力，本实验对照组单足静止站立体位耻骨联合上下方向位移约是双足站立体位的4～10倍。双足静止站立和单足静止站立体位，空心螺钉固定耻骨联合对抗上下方向剪切力应力明显低于钢板组。重建钢板放置耻骨联合上方，近似张力侧，对抗耻骨联合上下剪切应力主要依赖皮质骨螺钉与骨把持力所决定的钢板与骨界面摩擦力；空心螺钉固定在耻骨联合冠状面及矢状面均有约5°和10°成角，使其拉力效应因垂直方向剪切应力使其优势减弱。

3.3 本研究不足

骨盆标本的生物力学测试，国内外80%以上均选用防腐标本，但防腐处理的标本与新鲜骨盆标本在生物力学性能上有差异，福尔马林液浸泡的尸体骨标本，会使骨的钙、磷等丢失，骨密度下降，同时骨的弹性模量增加[21]。理论上对实验操作及实验数据结果有影响。实验标本样本量偏小，骨盆标本反复多次力学测试，理论上对实验结果有一定的影响。

4 结 论

本实验生物力学测试对抗耻骨联合水平、前后方向的张应力空心螺钉比钢板提供更强力学稳定性；在对抗上下方向剪切应力重建钢板较空心螺钉提供更坚强的稳定性；两种内固定的稳定性仍无法达到完整骨盆的耻骨联合稳定性。

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